Aktualisiert: 2023-07-02
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Virtuelle Prototypen für Lamellenventile in Pkw-Kältemittelverdichtern
Schlüsselwort: Fluid-Struktur-Interaktion
Virtuelle Prototypen für Lamellenventile in Pkw-Kältemittelverdichtern
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Virtuelle Prototypen für Lamellenventile in Pkw-Kältemittelverdichtern
Aerodynamische Anregung resonanter Schaufelschwingungen in Radialturbinen
Resonante Schaufelschwingungen können in Radialturbinen zu Materialermüdung führen. In Abgasturboladern ist das Auftreten einer Vielzahl von Schwingungsformen durch deren aerodynamische Anregung in einem weiten Drehzahlbereich nicht zu vermeiden. Für die dauerfeste Auslegung einer Turbine muss bekannt sein welche Schwingungsformen durch die Strömung angeregt werden und welche Belastungsamplituden auftreten.
Die aerodynamische Anregung wird mit Hilfe strömungsmechanischer Simulationen für eine Turbine mit Leitbeschaufelung charakterisiert. Die Resultate geben Aufschluss über die Anregungsmechanismen und zeigen die Sensitivität der Anregungskräfte in Bezug auf den Betriebszustand der Turbine und die Leitschaufelanzahl. Anschauliche Darstellungen der Anregungsfunktionen zeigen wo aerodynamische Kräfte am Schaufelblatt angreifen. Der Abgleich mit den Schwingungsformen ermöglicht quantitative Aussagen über deren Anregbarkeit.
Eine Methodik zur Simulation erzwungener Schwingungen im Betrieb wird vorgestellt. Fluid-strukturmechanisch gekoppelte Berechnungen mit einem idealen und mit verstimmten Finite-Elemente Modellen ermöglichen die Bestimmung der Resonanzamplituden. Die Gegenüberstellung der Simulationsergebnisse mit Daten aus Schwingungsmessungen im Betrieb zeigt sowohl in Bezug auf die Amplituden als auch auf die Verstimmungseffekte gute Übereinstimmung. Somit steht eine validierte Rechenprozedur für die Analyse strömungsinduzierter Schaufelschwingungen zur Verfügung.
Aktualisiert: 2023-05-15
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Untersuchungen zur Fluid-Struktur-Wechselwirkung mit Mehrkörperkontakten in Abgasturboladern
Abgasturbolader von Ottomotoren verfügen in vielen Fällen über ein Abblaseventil (Wastegate) zur Ladedruckregelung. Dieses meist lose gelagerte Ventil unterliegt aufgrund hoher Abgastemperaturen sowie der Beaufschlagung mit starken Druckpulsationen einer hohen Belastung, die sich in übermäßigem Verschleiß äußern kann.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird eine Methode entwickelt, die eine effiziente Simulation der schädlichen Aufschlagschwingungen (impact oscillations) ermöglicht. Für große Öffnungswinkel und kleines mechanisches Spiel kommt dabei eine Ein-Wege-Kopplung zum Einsatz. Demgegenüber kommt für die umgekehrten Bedingungen, bei welchen eine Bewegung des Ventils signifikante Änderungen des Strömungsquerschnitts bewirkt, eine korrigierte Ein-Wege-Kopplung auf Basis von aerodynamischen Einflusskoeffizienten zum Einsatz. Hierdurch kann bei massiv reduziertem Rechenaufwand eine (dreidimensionale) Zwei-Wege-Kopplung praktisch gleichwertig ersetzt werden.
Die Validierung erfolgt experimentell bei kalter Strömung an generischen Ventilmodellen. Diese verfügen über eine unterschiedliche Anzahl an Bewegungsfreiheitsgraden, ferner können Drehzahl, Last und mechanisches Spiel variiert werden.
Experimentelle Untersuchungen unter realen Bedingungen werden an einem Vierzylindermotor durchgeführt, wobei besonders schädliche Betriebsbereiche identifiziert werden. Abhilfemaßnahmen werden simulativ genauer untersucht, wonach sich abschließend eingeschränkte Empfehlungen bezüglich einer Applikationsstrategie abgeben lassen. Die größte Herausforderung liegt dabei in der korrekten Detektion des tatsächlich vorliegenden Verschleißes, wofür sowohl geeignete Messtechnik verbaut als auch ein entsprechendes Verschleißmodell in der Motorsteuerung hinterlegt werden müssen.
Aktualisiert: 2020-07-08
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Entwicklung und Untersuchung von Methoden zur Simulation umströmter funktionaler Strukturen
Der vorliegende Beitrag stellt eine höhergenaue Formulierung der Fluid-Struktur-Interaktion vor. Hierbei werden die geometrisch nichtlineare Elastodynamik und die inkompressiblen Navier-Stokes-Gleichungen gekoppelt. Die Formulierung der Fluiddynamik auf einem bewegten Raumgebiet erfordert die zusätzliche Beschreibung der Netzdynamik als weiteres Feld. Auf Basis einer konsistenten Linearisierung erfolgt die räumliche Diskretisierung mit Finiten Lagrange-Elementen höherer Ordnung, wobei die inkompressiblen Navier-Stokes-Gleichungen zuvor um Stabilisierungsterme erweitert werden. Zur zeitlichen Diskretisierung werden steifgenaue diagonal-implizite Runge-Kutta-Verfahren eingesetzt. Die Abschätzung des Fehlers erfolgt über eingebettete Fehlerindikatoren. In ausgewählten Beispielen wird die Genauigkeit und Stabilität der monolithischen Gesamtformulierung aufgezeigt.
Aktualisiert: 2022-09-29
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Ein Mehrratenansatz auf der Grundlage generalisierter additiv partitionierter Runge-Kutta-Verfahren zur numerischen Simulation von Fluid-Struktur-Wechselwirkung
In seiner Dissertation entwickelt Sascha Bremicker-Trübelhorn einen neuartigen, schwach gekoppelten partitionierten Ansatz zur Simulation von mechanischen Fluid-Struktur-Interaktionsproblemen (FSI). Die Effizienz des entwickelten Ansatzes wird durch die erfolgreiche Anwendung sowohl auf den klassischen 1D-FSI-Testfall eines bewegten Kolbens als auch auf einen 2D-FSI-Testfall der transsonischen Umströmung eines oszillierenden Flugzeugtragflächenprofils demonstriert.
Zur Modellierung der reibungsfreien Fluidströmung wird das Modell der kompressiblen Euler-Gleichungen in der Arbitrary-Lagrangian-Eulerian-Formulierung genutzt, wobei zur räumlichen Diskretisierung der Modellgleichungen Finite-Volumen- bzw. unstetige Galerkin-Finite-Elemente-Verfahren auf Dreiecksgittern genutzt werden.
Gemischt implizit-explizite (IMEX) generalisierte additiv partitionierte Runge-Kutta-Verfahren (GARK) hoher Ordnung werden für die zeitliche Integration des partitionierten Fluid-Struktur-Systems verwendet. Da die Zeitskalen des Fluidsubsystems typischerweise deutlich kürzer sind als die des Struktursubsystems, werden die GARK-Verfahren zur Berücksichtigung dieser unterschiedlichen Zeitskalen als Mehrratenverfahren (MGARK) angewendet, d. h. mehrere kleine Mikroschritte werden für die Fluidintegration verwendet, während gleichzeitig die Struktur mit einem einzigen Makroschritt integriert wird. Darüber hinaus ermöglicht der entwickelte Ansatz sowohl für Mikro- als auch Makroschritte die Verwendung einer adaptiven Schrittweitensteuerung. Eine effiziente Kopplung zwischen den Subsystemen wird durch die Konstruktion einer Kopplungsstrategie realisiert, welche die Ordnung der genutzten Basisverfahren erhält. Die linearen Stabilitätseigenschaften des so konstruierten Zeitintegrationsverfahrens werden in Bezug auf die Kopplungsstärke zwischen den Subsystemen und das Verhältnis von Mikro- zu Makroschritten untersucht.
Weiterhin zeigt der Autor, wie die im Geometric Conservation Law (GCL) formulierte Anforderung an die geometrische Konservativität des Verfahrens durch eine geeignete Berechnung der Geschwindigkeiten der bewegten Gitterpunkte erfüllt werden kann und untersucht den Zusammenhang zwischen GCL-Konformität und dem Erhalt der auf einem ruhenden Gitter erzielten zeitlichen Konvergenzordnung beim Übergang auf bewegte Gitter.
Aktualisiert: 2019-12-27
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Zum aerodynamischen und aeroelastischen Verhalten des Axialverdichters an der Stallgrenze
Der Verdichter spielt eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung neuer Flugtriebwerke. Aufgrund hoher aerodynamischer Belastung, starken Sekundärströmungen und hoher Schwingungsanfälligkeit steigt die Schwierigkeit Verdichter zu entwickeln, welche eine hohe aerodynamische Stabilität und niedrige Schaufelschwingungen aufweisen. Insbesondere für den Bereich nahe der Stallgrenze sind die wesentlichen aerodynamischen und aeroelastischen Effekte nicht ausreichend verstanden und Gegenstand aktueller Forschung.
Aus diesem Grund wird das aerodynamische und aeroelastische Verhalten eines triebwerksnahen Transonikverdichters in der vorliegenden Arbeit numerisch untersucht. Die Simulationen ermöglichen eine detaillierte Strömungsanalyse bei Stalleintritt und beim Auftreten von asynchronen Schaufelschwingungen (NSV) an Betriebspunkten nahe der Stallgrenze.
Beim Stalleintritt treten an der Rotorspitze Fluktuationen der Scherschicht zwischen der eintretenden Hauptströmung und einem, von der Spaltströmung verursachten, Blockagebiet in der Passage auf. Durch die Scherschichtfluktuation bilden sich Wirbelstrukturen, sowie Hoch- und Tiefdruckgebiete, welche im Rotor-Relativsystem entgegen der Drehrichtung umlaufen. Die Scherschichtfluktuationen können ebenfalls bereits vor Stallbeginn, an aerodynamisch stabilen Betriebspunkten, auftreten. In diesem Fall ist eine Anregung von NSV im Rotor möglich. Anhand von Parametervariationen wird in dieser Arbeit gezeigt, welche Faktoren die Entstehung von Scherschichtfluktuationen im Rotor begünstigen und wie die Anregung von NSV durch die Scherschichtfluktuationen erfolgt. Diese Erkenntnisse können in der Auslegung moderner Verdichterstufen Anwendung finden.
Aktualisiert: 2020-01-27
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Virtuelle Prototypen für Lamellenventile in Pkw-Kältemittelverdichtern
Virtuelle Prototypen für Lamellenventile in Pkw-Kältemittelverdichtern
Simulation der Fluidströmung und Basilarmembranschwingung im menschlichen Innenohr
Die Schwingungen der Gehörknöchelchen im Mittelohr lösen eine Fluidströmung im Innenohr aus, die das charakteristische Schwingungsverhalten der Basilarmembran anregt und somit zur Entstehung des Höreindrucks führt. Ziel dieser Arbeit ist es, diese dynamischen Vorgänge im Innenohr genauer zu untersuchen und die grundlegenden physikalischen Wirkprinzipien zu identifizieren. Hierzu wird ein mechanisches Finite-Elemente Modell des menschlichen Innenohrs, auch Cochlea genannt, unter Berücksichtigung der Fluid-Struktur Interaktionen entwickelt, das die Fluidströmung und die dadurch angeregte Basilarmembranschwingung, die zum Höreindruck führt, beschreibt. Mit dem Modell werden numerische Simulationen durchgeführt und die Ergebnisse hinsichtlich physiologischer Fragestellungen diskutiert. Für die Beschreibung der laminaren, viskosen Kriechströmung und die effiziente Berechnung der Fluid-Struktur Interaktionen wird in dieser Arbeit eine druck-verschiebungsbasierte Fluidformulierung vorgestellt. Diese wird an zwei einfachen Systemen validiert und es werden Unterschiede zur akustischen Fluidbeschreibung aufgezeigt. Zudem wird auf die mechanische Modellierung des Innenohrs eingegangen und eine Materialformulierung für die Basilarmembran entwickelt. Die Simulationen ermöglichen die Visualisierung der Wanderwelle auf der Basilarmembran sowie die Identifikation der Wirkmechanismen, die zur Anregung und Ausbildung der Wanderwelle führen und liefern somit neue Erkenntnisse hinsichtlich der Entstehung des Höreindrucks. Mit weiteren Untersuchungen zum cochlearen Übertragungsverhalten werden dann physiologische Fragestellungen beantwortet, wie die Orts-Frequenztransformation, die cochleare Verstärkung und der Einfluss der Kippbewegungen der Steigbügelfußplatte auf den Höreindruck.
Aktualisiert: 2021-12-20
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Numerische Simulation von Fluid-Struktur-Interaktion in turbulenten Strömungen
Die Durchführung von numerischen Simulationen der Wechselwirkung von Fluid und Struktur (FSI) ist besonders im letzten Jahrzehnt intensiv weiterentwickelt worden und wird immer besser in der Ingenieurpraxis realisierbar. Zudem kann für die Berechnung turbulenter Strömungen auf eine Vielzahl von bewährten Techniken zurückgegriffen werden. Andererseits ist jedoch die Turbulenzsimulation im Kontext einer FSI bislang nur wenig systematisch untersucht worden.
Die vorliegende Arbeit ist ein Beitrag zu dieser Problematik und besteht aus der Weiterentwicklung einer bestehenden FSI-Simulationsumgebung. Durch Implementierung geeigneter numerischer Methoden und Modellierungstechniken in den Strömungslöser wird die Berechnung von turbulenter FSI mit unterschiedlichen Graden an Wirbelauflösung (RANS, DES, LES) ermöglicht. Die Anwendbarkeit der Techniken auf die FSI wird an einem Testfall aufgezeigt. Mit der so verbesserten Simulationsungebung kann die Leistungsfähigkeit von Turbulenzmodellen in der FSI in Nachfolgearbeiten gezielt erforscht werden. Dadurch wird die Qualität von FSI-Simulationen mit turbulente Strömungen verbessert werden können.
Aktualisiert: 2022-12-21
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Aerodynamische Anregung resonanter Schaufelschwingungen in Radialturbinen
Resonante Schaufelschwingungen können in Radialturbinen zu Materialermüdung führen. In Abgasturboladern ist das Auftreten einer Vielzahl von Schwingungsformen durch deren aerodynamische Anregung in einem weiten Drehzahlbereich nicht zu vermeiden. Für die dauerfeste Auslegung einer Turbine muss bekannt sein welche Schwingungsformen durch die Strömung angeregt werden und welche Belastungsamplituden auftreten.
Die aerodynamische Anregung wird mit Hilfe strömungsmechanischer Simulationen für eine Turbine mit Leitbeschaufelung charakterisiert. Die Resultate geben Aufschluss über die Anregungsmechanismen und zeigen die Sensitivität der Anregungskräfte in Bezug auf den Betriebszustand der Turbine und die Leitschaufelanzahl. Anschauliche Darstellungen der Anregungsfunktionen zeigen wo aerodynamische Kräfte am Schaufelblatt angreifen. Der Abgleich mit den Schwingungsformen ermöglicht quantitative Aussagen über deren Anregbarkeit.
Eine Methodik zur Simulation erzwungener Schwingungen im Betrieb wird vorgestellt. Fluid-strukturmechanisch gekoppelte Berechnungen mit einem idealen und mit verstimmten Finite-Elemente Modellen ermöglichen die Bestimmung der Resonanzamplituden. Die Gegenüberstellung der Simulationsergebnisse mit Daten aus Schwingungsmessungen im Betrieb zeigt sowohl in Bezug auf die Amplituden als auch auf die Verstimmungseffekte gute Übereinstimmung. Somit steht eine validierte Rechenprozedur für die Analyse strömungsinduzierter Schaufelschwingungen zur Verfügung.
Aktualisiert: 2023-04-17
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Salzkerntechnologie für Hohlgussbauteile im Druckguss
Gestiegene Anforderungen an Leichtbau und Funktionsintegration im Fahrzeugbau erfordern Verfahren, die in einem hochproduktiven Prozess Ökonomie und Qualität optimal darstellen. Insbesondere die Urformverfahren und besonders das Druckgießen vereinen die Möglichkeit der Herstellung endkonturnaher Produkte mit höchstkomplexen Strukturen innerhalb kürzester Prozesszeiten.
Beim Druckguss ist die Darstellung einfacher Hinterschnitte nur durch den Einsatz aufwendiger Schieber möglich. Es können keine Hohlstrukturen hergestellt werden. Gängige Sandkerne sind nicht geeignet, da sie den verfahrensspezifischen Anforderungen nicht genügen.
Verlorene Kerne aus Salz, Natriumchlorid, stellen hier eine Lösung dar. Nach dem Abguss werden sie mit einem Hochdruckwasserstrahl entfernt und ermöglichen so die Herstellung dünnwandiger Strukturbauteile höherer Steifigkeit bei gleichzeitiger Gewichtsreduktion.
Aktualisiert: 2019-06-18
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Probabilistische Analyse der nichtlinearen Dynamik von Schiffen im natürlichen Seegang
Die International Maritime Organization (IMO) verweist in ihren aktuellen Richtlinien zur Bewertung der Stabilität intakter Schiffe auf die Notwendigkeit von verbesserten Kriterien zur Bewertung der Schiffssicherheit unter Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens im natürlichen Seegang. Aus dieser Notwendigkeit heraus werden in dieser Arbeit neue Wege zur Analyse der nichtlinearen Dynamik von Schiffen im natürlichen Seegang aufgezeigt. Der natürliche Seegang weist eine unregelmäßige Wasseroberfläche auf, die aus vielen Einflüssen resultiert, denen das Meer ausgesetzt ist. Diese Einflüsse können im Allgemeinen nur statistisch erfasst werden. Mit der vorgestellten Theorie ist es möglich, probabilistische Ergebnisse zur Vorhersage der Stabilität und der nichtlinearen Dynamik von Schiffen effizient zu bestimmen. Dabei werden funktionale Zusammenhänge bestimmt, mit denen die Gefährdung des Schiffes im natürlichen Seegang bewertet werden kann. Damit wird ein Beitrag zur Verbesserung der Sicherheit des Schiffes geleistet. Um dieses Ziel zu erreichen, werden bestehende Methoden weiterentwickelt. So ermöglicht eine neue Formulierung der stochastischen Mittelung der Energie eine einfachere Darstellung der stochastischen Differentialgleichung für die Energie der Schiffsdynamik. Gegenüber früheren Ergebnissen werden Anregungen durch nicht-weiße Gauß-Prozesse berücksichtigt, welche aus der Fluid-Struktur-Interaktion des Schiffes im natürlichen Seegang herrühren. Mit den Lösungen lassen sich stochastische Momente beliebiger Ordnung für Erstüberschreitungszeiten der Rollenergie effizient bestimmen. Diese Ergebnisse sind grundlegend und lassen sich auch für nichtlineare Schwinger anwenden, deren ungestörte Dynamik gegenüber der Dynamik der Anregung und Dämpfung dominiert.
Aktualisiert: 2019-12-12
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